Beiträge zum Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft

Die Zelle besteht wie viele ihrer Bestandteile aus Bläschen mit einer fettigen Hülle. In den Hohlräumen können sich Moleküle frei bewegen. Daneben gibt es komplexe Gebilde, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher Moleküle bestehen, aber nicht fest von ihrer Umgebung abgegrenzt sind und sich dynamisch verändern können. Diese molekularen Kondensate spielen eine wichtige Rolle bei der Genregulation und bei Krankheiten.

Anhand der X-Chromosomen und ihrer gezielten Inaktivierung lassen sich verschiedene Erbkrankheiten, aber auch die regulatorischen Zusammenhänge in unserem Genom besser verstehen. Die durch das Gen Xist gesteuerte Stilllegung eines ganzen Chromosoms ist zwar einzigartig und existiert nur bei Säugetieren, seine einzelnen Bestandteile sind es jedoch nicht und treten im Genom vielfach und in ähnlicher Form auf.

Die Entstehung eines komplexen Organismus aus einer einzelnen Zelle verlangt ein hohes Maß an Selbstorganisation von Stammzellen und deren Nachkommen. Das gängige 2-D Modell der Zelldifferenzierung ermöglicht bisher keinerlei Bildung Embryo ähnlicher Strukturen. Mit einem neuen 3-D Verfahren konnten wir nun erstmalig zeigen, dass embryonale Stammzellen der Maus in der Lage sind, in der Zellkulturschale sogar rumpfähnliche Strukturen mit Anlagen für Rückenmark sowie Knochen-, Knorpel- und Muskelgewebe zu formen. Diese neue Methode verstärkt ein neues Forschungsfeld: Synthetische Embryologie.

Es sind grundlegende Fragen der Biologie, die wir verstehen wollen: Wie funktionieren Zellen, welche Prozesse laufen in ihnen ab und wie beeinflussen sie sich gegenseitig? Wechselwirkungen von Abermilliarden von Molekülen machen das Leben aus. Biologische Systeme sind daher derart komplex, dass wir sie anhand mathematischer Modelle und durch die Analyse von Massendaten besser verstehen können. Insbesondere die dynamische Steuerung der Gene sorgt dabei immer wieder für neue Überraschungen.

Während der Entwicklung eines Organismus bleibt die Sequenz der DNA unverändert. Die unterschiedliche Aktivität der Gene in verschiedenen Zellen hingegen wird epigenetisch durch reversible Modifikationen der DNA, vor allem durch die spezifische Ankopplung von Methylgruppen an Cytosine, gesteuert. Wir entwickeln Methoden zur gezielten Methylierung des Genoms an definierten Positionen. Dadurch wollen wir ein umfassendes Verständnis der Rolle der DNA-Methylierung bei der Regulation der Genaktivität gewinnen und damit zu neuen therapeutischen Ansätzen für die Behandlung von Krankheiten beitragen.

Kolorektale Karzinome (CRC) sind klinisch anspruchsvolle Tumore. Um neue, prädiktive Biomarker zu identifizieren, rekrutierte das OncoTrack-Konsortium 106 CRC-Patienten und erstellte eine Biobank von Organoid- und Xenograft-Modellen, die molekular und in ihrer Reaktion auf Therapie analysiert wurden - eine einzigartige Ressource, um unser Verständnis von CRC zu verbessern. Durch Verknüpfung molekularer Muster mit Therapieeffekten wurden neue Biomarker einschließlich einer Signatur identifiziert, die RAS/RAF-Mutationen in der Vorhersage der Empfindlichkeit gegenüber EGFR-Inhibitor übertraf.

Chromatin-Modifikationen sind Informationen über der DNA-Sequenz: sie spiegeln transkriptionelle Aktivität wider, sind ein Gedächtnis für zurückliegende „Entscheidungen“ und könnten so zukünftige Entscheidungen der Zelle beeinflussen. Die direkte Untersuchung einer an sich widersprüchlichen Kombination von Chromatin-Modifikationen zeigte, dass diese Kombination nicht, wie vermutet, Möglichkeiten eröffnet, sondern notwendig ist, um die Mutationsrate in Schlüsselgenen niedrig zu halten, denn: Chromatin-Modifikationen beeinflussen die Nukleotidabfolge des Genoms und damit die Evolution.

Damit die DNA von Säugetierorganismen in den Zellkern hineinpasst, muss sie geordnet gefaltet werden. Mittels chromosome conformation capture konnte gezeigt werden, dass die Faltung der DNA in Domänen (TADs) erfolgt. Strukturelle Varianten, wie sie oft bei genetischen Krankheiten identifiziert werden, können mit der Konfiguration der TADs interferieren und so zu veränderter Genexpression und Krankheit führen. Durch die Nachbildung humaner struktureller Varianten in Mäusen wird gezeigt, dass TADs und ihre Grenzen bei der Interpretation von Strukturvarianten berücksichtigt werden müssen.

Molekulare Wechselwirkungsnetzwerke können die Interaktionen und damit das Zusammenspiel der Moleküle innerhalb einer Zelle umfassend beschreiben. Zellen zeigen untereinander, zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder bei Krankheiten tausende physiologisch relevante molekulare Unterschiede. Dies können genetische Variationen, Veränderungen der Proteinmengen oder Veränderungen der Proteine durch Modifizierungen sein. Netzwerke sind somit eine Basis, um besser ursächliche von nebensächlichen Veränderungen unterscheiden zu können. Dadurch sind sie mittelbar auch in der Medizin von großer Bedeutung.

Die Forschungsgruppe „Lange nicht-kodierende RNAs“ (long non-coding RNAs; ncRNAs) beschäftigt sich mit den molekularen Mechanismen von langen, nicht kodierenden RNAs, insbesondere mit der Frage nach deren Beteiligung an der Transkriptionsregulation und an Gen-Aktivierungen über große Distanzen. Ziel der Forscher ist es, grundlegende Prozesse der Genexpression besser zu verstehen. Das Wissen über die hochkomplexen ncRNAs ist bislang sehr begrenzt. Studien allerdings weisen eindeutig auf deren Bedeutung für die Regulation der Genaktivität und auch für die Entstehung von Krankheiten hin.

Analysen der Sequenz von humanen Genen und deren Promotorsequenzen weisen auf zwei unterschiedliche Klassen von Promotoren hin. Mit diesen zwei Klassen geht eine Reihe von Eigenschaften einher, die nahelegen, dass auch die Regulation der jeweiligen Promotoren entsprechende Unterschiede aufweist. In diesem Artikel werden die Sequenzeigenschaften und Merkmale der jeweiligen Klasse dargestellt. Wir zeigen, wie mathematische Zusammenhänge, die man in den gesamtgenomischen Daten erkennen kann, auf biologische Mechanismen hinweisen können.

Bei der Zeugung erhalten wir von jedem Elternteil je einen Chromosomensatz und vererben entweder die väterliche oder die mütterliche Kopie (Allel) jedes Gens mit gleicher Wahrscheinlichkeit weiter an unsere Kinder. So zumindest lehrte Mendel. Der Hypothese Richard Dawkins‘ folgend, gibt es aber egoistische Gene, die sich nicht mit zufälliger Auswahl begnügen und die Chance ihrer Vererbung an die nächste Generation erheblich erhöhen. Einen Beleg für diese Annahme liefert ein Gen der Maus, das von männlichen Tieren mit einer Häufigkeit von bis zu 99% vererbt wird.

Die Lösung medizinischer Herausforderungen hängt besonders von der Vorhersage des Verhaltens komplexer biologischer Netzwerke, beispielsweise aktiver Netzwerke in Tumor- und anderen Geweben unter bestimmten Bedingungen, wie zum Beispiel während einer Krebstherapie, ab. Bisher ist es nicht möglich, den Erfolg einer Therapie vorherzusagen. Forscher sequenzieren daher das Genom einzelner Krebspatienten sowie das Genom und Transkriptom ihres Tumors als Basis für ein Computermodell eines virtuellen Patienten, um Wirkung und Nebenwirkungen von Therapien individuell vorhersagen zu können.

Der wissenschaftliche Schwerpunkt der Forschungsgruppe liegt auf der systematischen Analyse der Modulation der Gen- und Proteinexpression. Dieser Prozess kann durch die Interaktion von Genen und natürlich vorkommenden Substanzen, wie sie in Nahrungsmitteln vorkommen, gezielt beeinflusst werden. Wir untersuchen, ob und durch welche Mechanismen Naturstoffe mit Genen und Genprodukten wechselwirken. Die Ergebnisse können für den optimierten Einsatz von Naturstoffen zur Verbesserung verschiedenster Stoffwechselprozesse von Nutzen sein.

Seit über 15 Jahren konzentriert sich die Genomforschung auf die Suche nach genetischen Risikofaktoren für Volkskrankheiten – mit magerem Erfolg. Jetzt richtet sich die Aufmerksamkeit auf seltene Krankheiten. Wissenschaftler der Abteilung Molekulare Humangenetik befassen sich bereits seit Jahren erfolgreich mit der Untersuchung seltener, genetisch bedingter Krankheiten. Durch neue Methoden zur DNA-Sequenzierung ist es jetzt möglich geworden, die molekularen Ursachen aller Ein-Gen-Krankheiten aufzuklären. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Diagnose, Prävention und Therapie.

Spätmanifeste neurodegenerative Erkrankungen sind progressive Erkrankungen, die typischerweise im mittleren Lebensabschnitt beginnen und mit zunehmendem Alter in schwerwiegender neuronaler Degeneration resultieren. Obwohl das Vorkommen dieser Erkrankungen weltweit sehr hoch ist, sind die Mechanismen der Pathogenese noch nicht verstanden, und effektive therapeutische Strategien zur Heilung dieser verheerenden Krankheiten stehen bis heute nicht zur Verfügung.

Gib mir fünf, schlag ein, Guten Tag, Auf Wiedersehen - alles mit der Hand. Und dass die Hand fünf Finger hat, weiß jedes Kind. Aber nicht jedes Kind wird mit fünf Fingern geboren. Erblich bedingt, entstehen bisweilen Skelettfehlbildungen der Extremitäten. Eine davon, die Synpolydaktylie, beinhaltet, dass Patienten mit zusätzlichen Fingern geboren werden, wobei diese Finger zudem fusioniert sind. Das Krankheitsbild entsteht aufgrund einer Mutation im Hoxd13-Gen, die einen Retinsäuremangel nach sich zieht und somit zu unkontrollierter Produktion von Knorpelzellen an den falschen Stellen führt.

Die systematische Untersuchung von Protein-Protein-Wechselwirkungen ist ein wichtiger Teil der funktionellen Genomforschung. Eine Methode ist das Hefe-zwei-Hybrid-Verfahren, mit dem Millionen Kombinationen von Proteinpaaren auf mögliche Interaktionen geprüft werden können. Die gefundenen Interaktionen werden in Protein-Netzwerken dargestellt. Diese erlauben ein systembiologisches Verstehen molekularer Zusammenhänge innerhalb der Zelle und sind auch in der Medizin von Bedeutung. Mithilfe solcher Netzwerke können Krankheitsgene identifiziert und Patientendaten besser interpretiert werden.

Die Nachbildung biologischer Prozesse im Computer bietet die Möglichkeit, durch gezielte virtuelle Störungen neue Effekte vorherzusagen, die dann im Experiment überprüft werden können. Solche Vorhersagen sind für viele praktische Anwendungen sehr nützlich, z.B. für die Entwicklung neuer Medikamente. In der Arbeitsgruppe Bioinformatik wurden in den letzten Jahren verschiedene Entwicklungen vorgenommen, die eine Modellierung von biologischen Prozessen unterstützen, wie z.B. eine Datenbank zur Integration humaner funktioneller Interaktionen (ConsensusPathDB) und das Modellierungssystem PyBioS.

Die Fülle der heute zur Verfügung stehenden Genomdaten einer Vielzahl von Lebewesen erlaubt die vergleichende Analyse ihrer DNA-Sequenzen. Solche Untersuchungen ermöglichen, die Evolution und Entwicklung der genomischen DNA-Sequenzen zurückzuverfolgen. Prozesse, die bei der Veränderung der genomischen DNA-Sequenzen von Säugetieren eine wichtige Rolle spielen, sowie deren Wechselspiel mit anderen zellulären Vorgängen, können so besser verstanden werden.

Zentrales Thema der Gruppe Bioinformatik / Strukturelle Proteomforschung ist die bioinformatische Analyse und Vorhersage von Proteinstrukturen in Form von Netzwerken. Entwickelt werden Verfahren, aus diesen Netzwerken die 3D-Struktur zu rekonstruieren und die entscheidenden Kontakte in diesen Strukturnetzwerken zu ermitteln. Die interdisziplinären Arbeiten finden Anwendungen im Protein-Design und bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe.

Die Mesodermbildung ist ein Prozess der Embryonalentwicklung, der eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Rumpf und Organen in Säugetieren spielt. Er wird von mehreren interagierenden Signalkaskaden kontrolliert, die auch bei der Tumorprogression eine Rolle spielen. Mithilfe neuer Verfahren sollen die aus Tausenden von Genprodukten bestehenden Regelnetzwerke aufdeckt werden, die diesen Prozess im Embryo und in Tumoren kontrollieren.

Die molekularbiologische Forschung gibt Einsicht in die Komponenten und Mechanismen der Wahrnehmung und Verarbeitung von Stress durch Zellen. Die mathematische Modellierung unterstützt das Verständnis grundlegender Prinzipien der Signalweiterleitung und Signalverarbeitung sowie von Sensitivität und Robustheit der Informationsübertragung und der damit einhergehenden Anpassung der Zellen. Zwei Beispiele werden für einen Modellorganismus, die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, vorgestellt.

Nach der Entschlüsselung des humanen Genoms stehen das Transkriptom, Proteom sowie Metabolom immer stärker im Vordergrund molekularbiologischer Forschung, weil deren Zusammenwirken die Ausprägung und Funktionsweise unserer Gene bestimmt. In diesem Zusammenhang haben neue, bahnbrechende Entdeckungen eine Art „Paradigmenwechsel“ der bisher beschriebenen Wirkungsweise von Hormonen eingeleitet und das Verständnis dieser Substanzen in der Zell- und Genregulation, insbesondere im Zusammenhang mit Krankheiten des Menschen, maßgeblich erweitert.

Die Forschungsgruppe Entwicklung & Krankheit beschäftigt sich mit der Frage, wie angeborene Fehlbildungen entstehen und wie sie genetisch und entwicklungsbiologisch zu erklären sind. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit der klinisch-genetischen Abteilung des Instituts für Medizinische Genetik und der Kinderklinik der Charité, in der viele dieser Patienten behandelt werden. Ein Fokus unserer Untersuchungen liegt in der Erforschung der normalen und pathologischen Skelettentwicklung und ihrer genetischen Steuerung durch molekulare in vitro und in vivo Verfahren. In den letzten Jahren konnten neue Erkenntnisse über die Ursachen von Fehlbildungen der Extremitäten, insbesondere bei der Entwicklung von Gelenken, gewonnen werden. Umfangreiche genetische Screens haben neue Gene aufgezeigt, deren Funktion bei Krankheit, bei der normalen Entwicklung und während der Regeneration von Knochen und Knorpel untersucht wird.

Ribosomen übersetzen die genetische Information der DNA in die Aminosäuresequenz der Proteine; sie gehören zu den kompliziertesten Zellstrukturen. Hochauflösende Methoden wie Röntgenstrukturanalysen und Kryo-Elektronenmikroskopie sowie verfeinerte Funktionsmethoden haben in den letzten Jahren zu einer Umwälzung unseres Wissens geführt, sodass wir beginnen, die Funktionen der Translationsmaschine „Ribosom“ von der Struktur her abzuleiten.

Transkriptionsfaktoren spielen eine zentrale Rolle bei der Regulation von Genen. Die Abteilung Bioinformatik am MPI für molekulare Genetik nutzt verschiedene mathematische Methoden, um die Funktion und das Zusammenspiel von Transkriptionsfaktoren zu untersuchen und so weiterführende Erkenntnisse über die Regulation von Genen zu erhalten.

Der Sequenzierung des Humangenoms verdanken wir genaue und weit reichende Informationen über die Komplexität biologischer Prozesse. Der Vergleich von Human- und Schimpansengenom führt zu einem besseren Verständnis molekularer Abläufe im Organismus, wodurch Beiträge zu einer Optimierung der Diagnostik und Therapie von Krankheiten geleistet werden können.

Die geistige Behinderung ist das größte ungelöste Problem der medizinischen Genetik, und auf die medizinische Versorgung und Betreuung von geistig Behinderten entfällt ein erheblicher Teil der Gesamtaufwendungen für die Krankenversorgung. Den meisten schweren Formen der geistigen Behinderung liegen Chromosomenveränderungen oder Gendefekte zugrunde, jedoch ist erst ein geringer Prozentsatz dieser Defekte bekannt. Zur Kartierung und Identifikation der beteiligten genetischen Faktoren verfolgen wir vier verschiedene komplementäre Strategien: 1. die Untersuchung von Patienten mit balancierten Chromosomenaberrationen, 2. die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur hochauflösenden Erkennung unbalancierter Veränderungen in der DNS, 3. die systematische Suche nach Mutationen in Familien mit X-chromosomal vererbter geistiger Behinderung und 4. die Kartierung autosomal rezessiver Gendefekte durch Identifizierung homozygoter Genomabschnitte bei Kindern blutsverwandter Eltern. In den vergangenen Jahren konnten wir bereits zahlreiche molekulare Ursachen für kognitive Störungen identifizieren. Von der Charakterisierung dieser Gene versprechen wir uns wesentliche Fortschritte für die Diagnose und Prävention der geistigen Behinderung sowie neue Einblicke in die normale und gestörte Hirnentwicklung und -funktion.

Die Entwicklung der Körperanlage mit ihren Organen wird durch eine Vielzahl komplexer Regelmechanismen gesteuert, die einem streng kontrollierten Ablauf folgen. Am Anfang dieser Ereigneisse steht die Mesenchymbildung, ein Vorgang, der Ähnlichkeiten zur Metastasierung von Tumoren aufweist. Mithilfe neuer Verfahren sollen regulatorische Netzwerke aufgedeckt werden, die Mesenchymbildung und Gewebedifferenzierung kontrollieren.